Schaltungstechnik · Fachbegriff

Gegenkopplung

Bei der Gegenkopplung wird ein Anteil des Ausgangssignals so an den Eingang zurückgeführt, dass er dem Eingangssignal entgegenwirkt. Das kann Verstärker stabilisieren und ihr Verhalten gezielt beeinflussen.

Negative Feedback · NFB
Elektronische Leiterplatte zur Veranschaulichung der Gegenkopplung bei IT Wissen

Die Gegenkopplung ist eine Form der Rückkopplung. Ein Teil des Ausgangssignals eines aktiven Vierpols wird zum Eingang zurückgeführt und dort mit entgegengesetztem Vorzeichen berücksichtigt. Dadurch fällt das wirksame Eingangssignal kleiner aus als das von außen angelegte Signal.

KurzdefinitionGegenkopplung – englisch negative feedback (NFB) – bezeichnet die Rückführung eines Ausgangsanteils, der einer Änderung am Eingang entgegenwirkt.

Wie funktioniert Gegenkopplung?

Das Rückkopplungssignal entsteht aus dem Ausgangssignal und einem Rückkopplungsfaktor. Es wird vom eigentlichen Eingangssignal abgezogen. Der Verstärker verarbeitet somit die verbleibende Differenz. Steigt das Ausgangssignal, nimmt zugleich der zurückgeführte Anteil zu und begrenzt die wirksame Anregung am Eingang.

Vereinfachtes Signalmodelle = x − β · y

Dabei steht e für das wirksame Eingangssignal, x für das äußere Eingangssignal, y für das Ausgangssignal und β für den Rückkopplungsfaktor.

Vereinfachtes Prinzip der GegenkopplungDas Eingangssignal gelangt über eine Summierstelle zum Verstärker. Ein Anteil des Ausgangssignals wird über den Rückkopplungszweig subtrahiert.VerstärkerVerstärkung A+−Faktor βEingang xAusgang y
Vereinfachtes Blockbild: Der Rückkopplungszweig führt einen mit β gewichteten Ausgangsanteil an den negativen Eingang der Summierstelle zurück.

Das Prinzip kann lokal auf eine einzelne Verstärkerstufe oder über mehrere Stufen hinweg angewendet werden. Entscheidend ist, dass das rückgeführte Signal im betrachteten Arbeitsbereich der ursprünglichen Änderung entgegenwirkt.

Gegenkopplung und Mitkopplung

Bei der Mitkopplung verstärkt der rückgeführte Anteil eine Änderung. Das kann etwa Schaltvorgänge beschleunigen oder Schwingungen unterstützen. Die Gegenkopplung verfolgt dagegen meist das Ziel, Abweichungen zu reduzieren und ein berechenbareres Systemverhalten zu erreichen.

Stabilisierung

Schwankungen der offenen Verstärkung können sich weniger stark auf das Gesamtsystem auswirken.

Linearität

In geeigneten Schaltungen lassen sich nichtlineare Verzerrungen reduzieren.

Bandbreite

Eine geringere geschlossene Verstärkung kann mit einer größeren nutzbaren Bandbreite einhergehen.

Regelverhalten

Ausgangsgrößen können näher an einem vorgegebenen Sollwert gehalten werden.

Anwendungen in Regelungen

Gegenkopplung wird in elektronischen Regelkreisen eingesetzt, um unerwünschte Abweichungen zu begrenzen. Ein Beispiel ist die automatische Verstärkungsregelung (AGC): Sie passt die Verstärkung an wechselnde Signalpegel an und kann dadurch Übersteuerungen vermeiden.

Auch die automatische Frequenznachsteuerung (AFC) arbeitet mit einer rückgeführten Abweichungsinformation. Sie korrigiert die Frequenz in Richtung des gewünschten Wertes.

Stabilität beachten

Gegenkopplung wirkt nicht unter allen Bedingungen automatisch stabilisierend. Phasenverschiebungen und Laufzeiten können dazu führen, dass ein ursprünglich entgegenwirkendes Signal bei bestimmten Frequenzen verstärkend wirkt. Deshalb werden Schleifenverstärkung, Phasenreserve und Frequenzgang bei der Schaltungsentwicklung gemeinsam betrachtet.

Gegenkopplung einordnen

Vier Schritte führen vom Signalweg zur Beurteilung des geschlossenen Systems.

Ausgang erfassen

Eine geeignete Ausgangsgröße wird als Grundlage für das Rückkopplungssignal verwendet.

Anteil bilden

Der Rückkopplungsfaktor β bestimmt, welcher Anteil zum Eingang zurückkehrt.

Differenz bilden

Die Summierstelle subtrahiert die Rückführung vom äußeren Eingangssignal.

Stabilität prüfen

Frequenzabhängige Verstärkung und Phase entscheiden über das reale Verhalten.

Häufige Fragen zur Gegenkopplung

Was bedeutet negative Feedback?

Negative Feedback ist die englische Bezeichnung für Gegenkopplung. Ein Anteil der Ausgangsgröße wird so zurückgeführt, dass er einer Änderung am Eingang entgegenwirkt.

Verringert Gegenkopplung immer die Verstärkung?

Im üblichen linearen Modell sinkt die geschlossene Verstärkung gegenüber der offenen Verstärkung. Dafür können Stabilität, Linearität oder Bandbreite günstiger werden.

Was ist der Rückkopplungsfaktor?

Der Rückkopplungsfaktor β beschreibt, welcher Anteil des Ausgangssignals in den Rückkopplungszweig gelangt.

Was unterscheidet Gegenkopplung von Mitkopplung?

Gegenkopplung wirkt einer Änderung entgegen. Mitkopplung unterstützt sie und kann dadurch beispielsweise Schaltvorgänge oder Schwingungen fördern.

Kann Gegenkopplung instabil werden?

Ja. Laufzeiten und Phasenverschiebungen können die Wirkung bei bestimmten Frequenzen umkehren. Eine Stabilitätsanalyse ist daher ein wesentlicher Teil der Auslegung.

Wo wird Gegenkopplung eingesetzt?

Typische Einsatzfelder sind Verstärker, Spannungsregler, automatische Verstärkungsregelungen und Frequenznachführungen.